BAB II DASAR TEORI 2.1 Spin Coating Spin coating telah digunakan selama beberapa dekade untuk aplikasi film tipin. Sebuah proses khas melibatkan mendopositokan genangan kecil dari cairan resin ke pusat substrat dan kemudian berutar dengan kecepatan tinggi. Percepatan sentripetal akan menyebabkan sebagian besar resin menyebar dan sampai akhirnya merata. Ketebalan film dan properti lainya akan tergantung pada sifat dari resin tersebut (viskositas, laju pengeringan, padatan persen, tegangan permukaan, dll) dan parameter yang dipilih untuk mesin spin coating. Faktorfaktor seperti kecepatan putaran, percepatan, dan pembangunan berkontribusi terhadap bagaimana sifat film ini dilapisi (Achmad Labanie, 2011). 2.1.1 Metode Spin Coating Proses spin coating dibagi menjadi empat tahap deposisi, yaitu: spin-up, spinoff, dan evaporasi. Tahap pertama dimulai dari diteteskan atau dialirkan cairan pelapis berupa gel di atas substrat. Tahap deposisi substrat belum diputar, kemudian pada tahap berikutnya substrat mulai diputar. Gaya sentrifugal mengakibatkan cairan menjadi tersebar secara radial keluar dari pusat putaran menuju tepi piringan, pada tahap ini substrat mengalami percepatan. Tahap berikutnya laju putaran mulai konstan, atrinya tidak ada percepatan sudut pada substrat. Tahap spin-off sebagian cairan yang berlebih akan menuju ke tepi substrat dan akhirnya terlepas dari substratmembentuk tetesan-tetesan. Lapisan semakin menipis, maka tetesan yang terbuang akan semakin sedikit, hal ini dipengaruhi oleh adanya penambahan hambatan alir dan viskositas pada saat lapisan semakin tipis. Tahap akhir adalah evaporasi, merupakan mekanisme utama dari proses penipisan lapisan. Kecepatan putar merupakan salah satu faktor terpenting dalam proses spin coating. Kecepatan putar pada substrat berpengaruh terhadap sudut gaya sentrifugal yang mengenai cairan resin. Secara spesifik, tingkat kecepatan putar yang tinggi menentukan ketebalan lapisan yang terbentuk (Achmad Labanie, 3
4
2011). Grafik hubungan antara ketebalan lapisan dengan kecepatan putar dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Grafik Hubungan antara Ketebalan Lapisan dengan Kecepatan Putar Sumber : Achmad Labanie (2011) 2.1.2 Teori Spin Coating Spin Coating dapat diartikan sebagai pembentukan lapisan melalui proses putaran (spin). Bahan yang akan digunakan untuk pelapis berbentuk larutan (gel), kemudian diteteskan diatas substrat yang diletakkan diatas tatakan. Bahan akan tersesbar merata karena adanya gaya sentrifugal ketika substrat berputar. Besarnya gaya sebar ini akan ditentukan oleh laju rotasi dari putaran substrat (Achmad Labanie, 2011). 2.2 Mekanika Mekanika adalah ilmu yang mempelajari dan meramalkan kondisi benda diam atau bergerak akibat pengaruh gaya yang bereaksi pada benda. Mekanika dibedakan menjadi 3, yaitu: 1. Mekanika benda tegar (mechanics of rigid bodies) 2. Mekanika benda berubah bentuk (mechanics of deformable) 3. Mekanika fluida (mechanics of fluids) Mekanika benda tegar dapat dibedakan sebagai berikut:
Statika: mempelajari benda dalam keadaan diam.
Dinamika: mempelajari benda dalam keadaan bergerak.
Benda tegar tidak pernah benar-benar tegar, melainkan tetap mengalami deformasi akibat beban yang diterima tetapi umumnya deformasi kecil, sehingga
5
tidak mempengaruhi kondisi keseimbangan atau gerakan struktur yang ditinjau maka diabaikan. 2.2.1 Gaya Gaya merupakan aksi sebuah benda terhadap benda lain dan umumnya ditentukan oleh titik tangkap (kerja), besar dan arah. Sebuah gaya mempunyai besar, arah dan titik tangkap tertentu yang disimbolkan dengan anak panah, ditunjukkan oleh Gambar 2.2. Makin panjang anak panah maka makin besar gayanya.
Gambar 2.2 Simbol Gaya Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) Jenis gaya berdasarkan garis kerjanya dapat dibedakan menjadi 4, yaitu: a. Gaya kolinier Gaya kolinier adalah gaya-gaya yang garis kerjanya terletak pada satu garis lurus, dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Gaya Kolinier Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) b. Gaya konkuren Gaya konkuren adalah gaya-gaya yang garis kerjanya berpotongan pada satu titik, ditunjukkan oleh Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Gaya Konkuren Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) c. Gaya koplanar Gaya koplanar adalah gaya-gaya yang garis kerjanya terletak pada satu bidang.
6
d. Gaya kopel Gaya kopel adalah sepasang gaya yang sejajar sama besar dan berlawanan arah yang bekerja pada suatu batang (benda), akan menimbulkan menimbulkan kopel (momen) pada batang, seperti terlihat pada Gambar 2.5. M = F x r ................................................................................ (2.1) dengan F adalah gaya dan r adalah jarak antar gaya.
Gambar 2.5 Gaya Kopel Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) Perhitungan kekuatan rangka akan diperhitungkan gaya luar dan gaya dalam, sebagai berikut: a. Gaya luar Gaya luar adalah gaya-gaya yang bekerja di luar konstruksi. Gaya luar dapat berupa gaya vertikal, gaya horisonal, momen lentur, dan momen puntir. Pada persamaan statis tertentu untuk menghitung besarnya gaya yang bekerja harus memenuhi syarat kesetimbangan jumlah gaya arah sumbu x=0, jumlah gaya arah sumbu y=0, jumalah momen=0, seperti terlihat pada persamaan berikut: ∑FX=0 ................................................................................. (2.2) ∑FY=0 ................................................................................. (2.3) ∑M =0 ................................................................................. (2.4) b. Gaya dalam Gaya dalam adalah gaya-gaya yang bekerja di dalam konstruksi sebagai reaksi terhadap gaya luar. Reaksi yang timbul antara lain sebagai berikut:
Gaya Normal Gaya normal adalah gaya yang bekerja searah sumbu balok.
7
Gaya normal positif ditunjukkan oleh Gambar 2.6 bersifat tarik pada batang.
Gambar 2.6 Arah Gaya Normal Positif Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) Gaya normal negatif seperti terlihat pada Gambar 2.7 bersifat desak pada batang.
Gambar 2.7 Arah Gaya Normal Negatif Sumber : Khurmi dan Gupta (2005)
Gaya geser Gaya geser adalah gaya yang bekerja tegak lurus terhadap sumbu balok. Gambar 2.8 menunjukkan gaya geser positif putaran searah jarum jam.
Gambar 2.8 Arah Geser Positif Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) Gaya geser negatif seperti terlihat pada Gambar 2.9 putaran berlawanan arah jarum jam.
8
Gambar 2.9 Arah Geser Negatif Sumber : Khurmi dan Gupta (2005)
Momen Lentur Momen lentur adalah gaya yang mendukung lentur sumbu balok. Momen lentur positif adalah gaya yang menyebabkan sumbu batang cekung ke bawah seperti terlihat pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Arah Momen Lentur Positif Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) Gambar 2.11 menunjukkan momen lentur negatif. Momen lentut negatif adalah gaya yang menyebabkan sumbu batang cekung ke atas.
Gambar 2.11 Arah Momen Lentur Negatif Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) 2.2.2 Resultan Gaya Resultan gaya merupakan sebuah gaya yang menggantikan 2 gaya atau lebih yang mengakibatkan pengaruh yang sama terhadap sebuah benda. Adapun beberapa metode untuk mencari resultan gaya dijabarkan sebagai berikut: a. Metode jajaran genjang ( Hukum Paralelogram)
9
Metode jajaran genjang dengan cara membentuk bangun jajaran genjang dari dua gaya yang sudah diketahui sebelumnya. Garis tengah merupakan R gaya, seperti terlihat pada Gambar 2.12.
Gambar 2.12 Metode Jajaran Genjang Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) b. Metode segitiga Metode segitiga dengan cara memindahkan gaya tanpa merubah arah ataupun besar gaya, kemudian menghubungkan bagian pangkal ke ujung gaya diunjukkan oleh Gambar 2.13.
Gambar 2.13 Metode Segitiga Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) c. Metode poligon gaya Metode poligon gaya mirip dengan metode segitiga, yaitu memindahkan gaya tanpa merubah arah ataupun besar gaya, kemudian menghubungkan bagian pangkal ke ujung gaya. Metode poligon gaya, gaya-gaya yang diresultan lebih dari dua gaya, seperti terlihat Gambar 2.14. Untuk menghitung besarnya R dapat dilakukan secara grafis (diukur) dengan skala gaya yang telah ditentukan sebelumnya.
Gambar 2.14 Metode Poligon Gaya Sumber : Khurmi dan Gupta (2005)
10
Gaya dapat diuraikan menjadi komponen vertikal dan horizontal atau mengikuti sumbu x dan y, dapat dilihat pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15 Komponen Gaya Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) Fx adalah gaya horisontal, sejajar sumbu x Fy adalah gaya vertikal, sejajar sumbu y θ adalah sudut kemiringan gaya
Fx = F cos θ ....................................................................................... (2.5) Fy = F sin θ ........................................................................................ (2.6) sin θ =
......................................................................................... (2.7)
cos θ =
......................................................................................... (2.8)
tg θ =
.......................................................................................... (2.9)
F=
............................................................................ (2.10)
Aturan segitiga:
Gambar 2.16 Aturan Segitiga Sumber : Khurmi dan Gupta (2005)
11
Hukum cosinus ................................................................... (2.11) C=
........................................................... (2.12)
2.2.3 Tumpuan Tumpuan adalah satu komponen dalam perhitungan rangka. Tumpuan berfungsi untuk menopang beban atau gaya yang bekerja pada sebuah sistem. Beban dan tumpuan harus diletakkan pada titik tertentu. Berikut adalah macam macam tumpuan: a. Tumpuan Rol Tumpuan rol dapat memberikan reaksi berupa gaya vertikal (Ry = Fy), tetapi tidak dapat menerima gaya horisontal (Fx) dan tidak dapat menerima
momen.
Jika
diberi
gaya
horisontal,
akan
bergerak/menggelinding karena sifat roll, ditunjukkan oleh Gambar 2.17.
Gambar 2.17 Tumpuan Rol Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) b. Tumpuan Sendi Tumpuan rol mampu menerima 2 reaksi gaya, yaitu: gaya vertikal (Fy) dan gaya horisontal (Fx), tetapi tidak dapat menerima momen (M). Jika diberi beban momen, karena sifat sendi, maka akan berputar, seperti terlihat pada Gambar 2.18.
Gambar 2.18 Tumpuan Sendi Sumber : Khurmi dan Gupta (2005)
12
c. Tumpuan Jepit Tumpuan jepit dapat menerima semua reaksi, yaitu: gaya vertikal (Fy) gaya horizontal (Fx) momen (M). Dijepit berarti dianggap tidak ada gerakan sama sekali, seperti terlihat pada Gambar 2.19.
Gambar 2.19 Tumpuan Jepit Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) 2.2.4 Beban Beban merupakan aksi atau gaya atau beban yang mengenai struktur. Beban dapat dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan cara bekerja dari beban, yang dijelaskan sebagai berikut: a. Beban terpusat atau beban titik Gambar 2.20 menunjukkan beban yang mengenai struktur hanya pada satu titik tertentu secara terpusat.
Gambar 2.20 Beban Terpusat Satu Gaya Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) 3 buah reaksi yang mungkin adalah sebagai berikut: : reaksi horisontal A : reaksi vertikal A : reaksi vertikal B Anggap AB sebagai free body (benda bebas)
13
Syarat keseimbangan statis :
∑ Fx = 0 →
= 0 (tidak ada aksi) .................................. (2.13)
∑ Fy = 0 →
+
∑
=0→F.a=
– F = 0 .......................................... (2.14)
atau
.L=0
(
∑ MB = 0 → F . b – =
) ............................................. (2.15)
F
.L=0
F ..................................................................... (2.16)
b. Beban terdistribusi Beban yang mengenai struktur terdistribusi, baik terdistribusi merata ataupun tidak merata. Sebagai contoh beban angin, air dan tekanan, ditunjukkan oleh Gambar 2.21.
Gambar 2.21 Beban Terdistribusi Merata Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) Beban terbagi merata Q (N/m), jadi total beban = Q x L dengan L panjang beban. Beban terbagi merata dapat diwakili oleh satu beban titik yang posisinya berada ditengah-tengah (titik berat beban), digambarkan oleh ∑
=0 = ½ QL = ½
∑
.................................................................... (2.17)
=0 = ½ QL = ½
∑
= Q x L.
.................................................................... (2.18)
=0 = 0 (tidak ada gaya horisontal) ........................................... (2.19)
14
c. Beban momen Beban momen dapat berupa adanya beban titik pada konstruksi menimbulkan momen atau momen yang memang diterima oleh konstruksi seperti momen puntir (torsi) pada poros transmisi, misal alok sederhana dengan beban momen seperti terlihat pada Gambar 2.22.
Gambar 2.22 Balok Sederhana dengan Beban Momen Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) ∑
=0 M+
.L=0 =-
∑
=0 M-
.L=0 =
∑
(↓) .............................................................................. (2.20)
( ↑ ) .............................................................................. (2.21)
=0 = 0 (tidak ada gaya horisontal)............................................ (2.22)
2.3 SolidWorks Solidworks adalah salah satu software yang digunakan untuk merancang part permesinan. Part permesinan dapat disusun berupa assembly dengan tampilan 3D untuk mempresentasikan part sebelum real part-nya dibuat. Solidworks juga dapat menampilkan 2D (drawing) untuk gambar proses permesinan. Analisis pada solidworks sangat akurat, jadi sangat membantu designer untuk mengurangi resiko pada saat melakukan inovasi. Keuntungan lain jika menggunakan solidworks adalah pembuatan prototype lebih sedikit, karena kita dapat mengedit
15
dulu pada solidworks, sehingga biaya rendah. Beberapa hasil simulasi dari solidworks adalah sebagai berikut: a. Tegangan (Von Misses) Fitur pada simulasi ini adalah kumpulan gaya (force) pada suatu permukan benda. Semakin sempit luasan permukaan namun gaya tetap, maka tegangan semakin besar. Tegangan terbesar ditunjukkan pada degradasi warna paling merah, sedangkan tegangan terkecil adalah paling biru. b. Perubahan bentuk (Displacement) Displacement adalah perubahan bentuk pada benda yang dikenai gaya. Bagian yang mengalami displacement paling besar adalah area yang berwarna paling merah, sedangkan bagian yang mengalami displacement paling kecil adalah area yang berwarna paling biru. c. Faktor keamanan (Factor Of Safety/FOS) FOS atau safety Factor (SF) adalah patokan utama yang digunakan dalam menentukan kualitas suatu produk. FOS ditentukan antara 1 sampai dengan 3. Apabila nilai SOF kurang dari 1, maka kualitas produk yang dihasilkan kurang bagus. Apabila nilai SOF lebih dari 3, maka produk yang dihasilkan bagus, akan tetapi biaya produksi mahal. 2.4 Pengelasan Pengelasan merupakan penyambungan dua logam sejenis dengan cara dipanaskan. Kelebihan sambungan las adalah konstruksi ringan, dapat menahan beban besar, mudah pelaksanaannya, serta cukup ekonomis. Namun kelemahan yang paling utama adalah terjadinya perubahan struktur mikro pada logam yang di las, sehingga terjadi perubahan sifat fisik maupun mekanis dari logam yang di las. Cara yang umum digunakan untuk memanasi logam yang dilas adalah arus listrik. Arus listrik dibangkitkan oleh generator. Kemudian arus listrik negatif pada output mesin las dialirkan ke logam yang akan di sambung dengan cara di jepit. Arus listrik positif pada output disalurkan ke elektroda. Ketika arus listrik dialirkan, elektroda disentuhkan ke logan dan kemudian digeser perlahan, sehingga didapat pola las yang indah. Arus listrik tetap mengalir melalui celah sempit antar ujung elektroda dengan logam. Arus yang mengalir ini dinamakan
16
busur (arc) yang dapat mencairkan logam. Prinsip kerja las listrik ditunjukkan oleh Gambar 2.23.
Gambar 2.23 Prinsip Kerja Las Listrik Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) Gambar 2.24 menunjukkan tipe-tipe sambungan las yang umum dipakai seperti terlihat.
Gambar 2.24 Jenis Sambungan Las Sumber : Khurmi dan Gupta (2005) Benda kerja dibuat kampuh atau alur las sebelum dilas. Bentuk kampuh las dapat dilihat pada Gambar 2.24.
Gambar 2.24 Bentuk Kampuh Las Sumber : Khurmi dan Gupta (2005)
